Redacción
A miles de millones de años luz, gigantescas nubes de gas hidrógeno producen un tipo especial de radiación, un tipo de luz ultravioleta conocida como emisiones Lyman-alfa. Las enormes nubes que emiten la luz son glóbulos Lyman-alfa (LABs). Los LABs son varias veces más grandes que nuestra galaxia la Vía Láctea, pero fueron descubiertos hace solo 20 años. Se necesita una fuente de energía extremadamente poderosa para producir esta radiación -piense en la producción de energía equivalente a miles de millones de soles como el nuestro – pero los científicos debaten cuál podría ser esa fuente de energía.
Un nuevo estudio que se publicó en la revista Nature Astronomy proporciona evidencias de que la fuente de energía está en el centro de las galaxias formadoras de estrellas, alrededor de las cuales existen los LABs.
El estudio se centra en el glóbulo Lyman-alfa 6 (LAB-6), cuya luz fue emitida hace 10.700 millones de años. El equipo de colaboración descubrió una característica única del LAB-6: su gas de hidrógeno parecía caer sobre sí mismo. El LAB-6 es el primer LAB con una fuerte evidencia de esta llamada firma de gas que se precipita sobre sí mismo. El gas que cae es poco abundante en elementos metálicos, lo que sugiere que el del LAB se originó en el medio intergaláctico, en lugar de en la propia galaxia formadora de estrellas.
La cantidad de gas que cae es demasiado baja para alimentar la emisión Lyman-alfa observada. Lo observado proporciona pruebas de que la galaxia central formadora de estrellas es la fuente de energía primaria responsable de la emisión de Lyman-alfa. También se plantean nuevas preguntas sobre la estructura de los LABs.
“Esto nos proporciona un misterio. Esperamos que haya gas cayendo alrededor de las galaxias formadoras de estrellas, ya que necesitan gas como material”, dijo Zheng Zheng, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Utah y co-autor del estudio. Zheng se unió al esfuerzo de analizar los datos y dirigió la interpretación teórica con el estudiante de postgrado Shiyu Nie. “Pero este parece ser el único glóbulo Lyman-alfa con caída de gas. ¿Por qué es tan raro?”
El cielo alrededor del LAB-6. (Foto: Yiping Ao/VLT/Hawk-I/Blanco)
Los autores utilizaron el Very Large Telescope (VLT) en el Observatorio Europeo Austral (ESO) y el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) para obtener los datos. El autor principal Yiping Ao, de la Academia China de Ciencias, observó por primera vez el sistema LAB-6 hace más de una década. Él sabía que había algo especial en el sistema incluso entonces, basado en el tamaño extremo de su glóbulo de gas hidrógeno. Aprovechó la oportunidad para mirar más de cerca.
“Afortunadamente, pudimos obtener los datos necesarios para capturar la composición molecular con ALMA, fijando la velocidad de la galaxia”, dijo. “El telescopio óptico VLT de ESO nos dio el importante perfil de luz espectral de la emisión Lyman-alfa”.
El universo está lleno de hidrógeno. El electrón de hidrógeno orbita el núcleo del átomo en diferentes niveles de energía. Cuando un átomo de hidrógeno neutro es golpeado con energía, el electrón puede ser empujado a una órbita mayor con un nivel de energía más alto. Entonces el electrón puede saltar de un nivel de órbita a otro, lo que produce un fotón. Cuando el electrón se mueve a la órbita más interna desde la órbita directamente adyacente, emite un fotón con una longitud de onda particular en el espectro ultravioleta, llamada emisión Lyman-alfa. Se requiere una fuente de energía poderosa para energizar el hidrógeno lo suficiente como para producir la emisión Lyman-alfa.
Los autores descubrieron el gas que caía analizando la cinemática de las emisiones Lyman-alfa. Después de que el fotón Lyman-alfa sea emitido, se encuentra con un ambiente lleno de átomos de hidrógeno. Choca con estos átomos muchas veces, como una pelota que se mueve en una máquina de pinball, antes de escapar del entorno. Esta salida hace que la emisión se extienda hacia afuera a grandes distancias.
Todo estos rebotes no solo cambian la dirección de la onda de luz, sino también su frecuencia, ya que el movimiento del gas causa un efecto Doppler. Cuando el gas sale, la emisión Lyman-alfa se desplaza a la longitud de onda más larga y roja. Lo contrario ocurre cuando el gas entra, la longitud de onda de la emisión Lyman-alfa parece acortarse, desplazándose a un espectro más azul.
Los autores de este trabajo utilizaron la observación de ALMA para localizar la longitud de onda esperada de la emisión Lyman-alfa desde la perspectiva de la Tierra, si no hubiera un efecto de rebote para los fotones Lyman-alfa. Con la observación del VLT, encontraron que la emisión de Lyman-alfa de este glóbulo se desplaza a longitudes de onda más cortas, lo que implica una entrada de gas. Utilizaron modelos para analizar los datos del espectro y estudiar la cinemática del gas hidrógeno.
Los LABs están asociados con galaxias gigantescas que están formando estrellas a una tasa de cientos a miles de masas solares por año. Gigantescos halos de emisiones Lyman-alfa rodean estas galaxias, formando los glóbulos de gas Lyman-alfa de cientos de miles de años luz de ancho con una potencia equivalente a unos 10.000 millones de soles. El movimiento dentro de los glóbulos de gas puede decirnos algo sobre el estado de la galaxia.
La caída de gas puede originarse de varias maneras diferentes. Podría ser la segunda etapa de una fuente galáctica, si las estrellas masivas mueren, explotan y empujan el gas hacia afuera, que luego cae hacia adentro. Otra opción es una corriente fría. Hay filamentos de hidrógeno flotando entre los objetos celestiales que pueden ser arrastrados al centro de un pozo potencial, creando la estructura de gas en caída libre.
El modelo de los autores sugiere que el gas que cae en este LAB proviene de este último escenario. Analizaron la forma del perfil de luz Lyman-alfa, que indica muy poco polvo metálico. En astronomía, los metales son cualquier cosa más pesada que el helio. Las estrellas producen la mayoría de los elementos pesados del universo. Cuando pulsan o explotan, esparcen elementos metálicos por el espacio interestelar.
“Si el gas hubiera venido de esta galaxia, se verían más metales. Pero en esta, no había muchos metales”, dijo Zheng. “La indicación es que el gas no está contaminado con elementos de esta formación estelar”.
Además, su modelo indica que el gas circundante sólo produce el equivalente a la energía de dos masas solares por año, una cantidad demasiado baja para la emisión Lyman-alfa observada.
Los hallazgos proporcionan una fuerte evidencia de que la galaxia formadora de estrellas es la mayor contribuyente a la emisión de Lyman-alfa, mientras que el gas que cae actúa para dar forma a su perfil espectral. Sin embargo, no responde completamente a la pregunta.
“Puede que todavía haya otras posibilidades”, dijo Ao. “Si la galaxia tiene un agujero negro supermasivo en el centro, puede emitir fotones energéticos que podrían viajar lo suficientemente lejos para producir la emisión”.
En futuros estudios, los autores quieren desentrañar la complicada dinámica de los gases para averiguar por qué la caída de gas es rara para los LABs. El gas entrante podría depender de la orientación del sistema, por ejemplo. También quieren construir modelos más realistas para entender los movimientos de los fotones de emisión Lyman-alfa cuando se estrellan contra átomos.
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